溶劑輔助蒸汽重力泄油技術(shù)研究綜述

羅 健 李秀巒 王紅莊 劉 昊

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院，提高石油采收率國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.東北石油大學(xué)提高石油采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶 163318）

稠油在油層中黏度高、流動(dòng)性差，目前多采用熱力采油的方式進(jìn)行開發(fā)，如蒸汽吞吐（CSS）、蒸汽驅(qū)（Steam fl ood）、火燒油層（In-situ combustion）、蒸汽輔助重力泄油（SAGD）等［1］。SAGD技術(shù)從提出到現(xiàn)在30余年，經(jīng)歷了基礎(chǔ)理論研究、現(xiàn)場先導(dǎo)試驗(yàn)，并成功轉(zhuǎn)入商業(yè)化開發(fā)。其中，在加拿大的Athabasca地區(qū)，SAGD技術(shù)被廣泛應(yīng)用于開采油砂，并且已經(jīng)顯示出顯著的效果。新疆西北部的風(fēng)城油田，擁有約3億噸的淺層超稠油儲(chǔ)量，已開展了SAGD技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)，并取得了初步成效，即將擴(kuò)大試驗(yàn)［2］。但復(fù)雜的地質(zhì)條件、水處理和能耗控制等諸多限制使得SAGD開發(fā)仍然存在一些挑戰(zhàn)［3］。SAGD進(jìn)一步發(fā)展需要解決的主要問題是診斷解決一些現(xiàn)場操作問題，以及提高SAGD的效率和經(jīng)濟(jì)性［4］。為此，T. N. Nasr等人 2001年提出了溶劑輔助蒸汽重力泄油（ES-SAGD）技術(shù)［5］，對(duì)傳統(tǒng)SAGD工藝加以改進(jìn)，將碳?xì)浠衔锶軇┖驼羝旌献⑷胗筒?，使得開采過程水處理需求更少、單位產(chǎn)油能耗更低、采油速度提高，是一種綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性更好的新技術(shù)。

1 ES-SAGD作用機(jī)理

在ES-SAGD概念提出以前，曾有人研究過利用溶劑和蒸汽結(jié)合的方法提高采收率的技術(shù)。Allen在1974年提出了在蒸汽吞吐過程中，循環(huán)注入丙烷或丁烷開采Athabasca油砂的方法［6］。D. A. Reford等在專利中描述了將氣體、蒸汽和烴類稀釋劑同時(shí)注入地層中開采稠油的方法［7］，隨后發(fā)表多篇關(guān)于注蒸汽開發(fā)過程中添加溶劑的技術(shù)報(bào)告［8-9］。由于溶劑的擴(kuò)散速度較慢，該方式對(duì)直井注采方式下的原油采收率增加有限，但在利用水平井開發(fā)時(shí)溶劑與熱聯(lián)合作用能夠更好地開發(fā)超稠油油藏。

2001年T. N. Nasr等人提出ES-SAGD概念，利用加熱降黏和溶劑降黏共同作用加快超稠油的開采，并申請(qǐng)了相關(guān)專利。ES-SAGD是一種將碳?xì)浠衔锾砑觿┰诘蜐舛认屡c蒸汽一起注入油藏的重力主導(dǎo)開采工藝，類似于SAGD過程（圖1）。碳?xì)浠衔锾砑觿┑暮Y選依據(jù)是在油藏條件下需具有與水相近的蒸發(fā)和凝結(jié)性質(zhì)，依照這一準(zhǔn)則選取的溶劑可以在汽腔邊緣處與蒸汽一同凝結(jié)。在ES-SAGD工藝中，溶劑以氣態(tài)形式與蒸汽共同注入，在汽腔界面附近凝結(jié)的溶劑經(jīng)擴(kuò)散后稀釋原油，并且在蒸汽加熱的作用下共同降低原油的黏度［10］。氣態(tài)溶劑在汽腔邊界凝結(jié)、蒸汽加熱以及溶劑稀釋共同降黏是ES-SAGD技術(shù)的主要作用機(jī)理。

圖1 ES-SAGD過程示意圖

SAP（Solvent Aided Process）［11］， LASER（Liquid Addition to Steam for Enhancing Recovery）［12］和SAS（Steam A lternating Solvent process）［13］等溶劑輔助開采技術(shù)也具有類似的作用機(jī)理，但這些技術(shù)與ES-SAGD技術(shù)相比在溶劑的注入/采出相態(tài)（氣態(tài)或液態(tài)）、溶劑注入方式（單獨(dú)注入或與蒸汽混注）等方面有所差異。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 溶劑篩選研究

T. N. Nasr等通過比較碳?xì)浠衔锶軇┨砑觿┑臍饣瘻囟扰c蒸汽溫度，在一個(gè)寬泛的碳?xì)浠衔锶軇–3～C8稀釋劑）范圍內(nèi)進(jìn)行了溶劑的初步篩選，并公開發(fā)表了首篇AITF關(guān)于ES-SAGD的研究論文［10］。實(shí)驗(yàn)使用一維不銹鋼圓柱模型，內(nèi)部填裝石英砂，實(shí)驗(yàn)壓力2.1 MPa。結(jié)果顯示，當(dāng)所用溶劑的氣化溫度與蒸汽溫度相接近時(shí)（±50 ℃范圍內(nèi)），ES-SAGD泄油速度與SAGD相比會(huì)有明顯提升，但溶劑的種類和氣化溫度與蒸汽溫度的差值范圍應(yīng)根據(jù)不同油藏條件而具體確定。

Weiqiang Li建立數(shù)值模型，比較了添加不同種類溶劑（C3～C12）后的油藏開發(fā)效果［14］。研究表明，油藏壓力下，采用氣化溫度高于蒸汽溫度的溶劑相對(duì)于氣化溫度低的溶劑能獲得更好效果。

2.2 溶劑傳質(zhì)研究

溶劑在油藏中的傳質(zhì)過程直接影響原油的降黏效果，決定了溶劑輔助開采過程的成敗。H. Luo等研究了溶劑和原油混合體系在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)，推導(dǎo)了擴(kuò)散的數(shù)值模型并開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)［15-16］。實(shí)驗(yàn)選用己烷為溶劑，原油黏度12 000 mPa·s（25℃），將一維柱狀巖心的兩半分別飽和溶劑與原油，借助新型X射線斷層攝影技術(shù)獲取圖像，分析溶劑向飽和原油部分巖心的擴(kuò)散情況。研究比較了溶劑在純油中與飽和油砂中擴(kuò)散的區(qū)別，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)多孔介質(zhì)中沿主擴(kuò)散方向上孔隙存在不可忽略的非均質(zhì)性時(shí)，對(duì)于流體在其中的擴(kuò)散有著較大影響。

Jyotsna Sharma等研究了汽腔邊緣處蒸汽、溶劑協(xié)同作用對(duì)于原油流動(dòng)性的影響［17］。觀察原油流動(dòng)性可發(fā)現(xiàn)汽腔邊緣處存在由溶劑傳質(zhì)控制和傳熱控制的兩個(gè)獨(dú)特區(qū)域，傳熱范圍是10 m左右，而溶劑傳質(zhì)的范圍在10 cm左右。提高溫度或者溶劑比例都能增強(qiáng)汽腔邊緣處原油的流動(dòng)性：溫度越高，溶劑的擴(kuò)散系數(shù)越高，傳質(zhì)效果越好，原油黏度越低，機(jī)械分散性和泄油速度也越高。

2.3 溶劑開發(fā)效果評(píng)價(jià)研究

T. N. Nasr等利用ARC的2D高溫高壓比例物理模擬裝置，開展了ES-SAGD效果評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)［18］。模型尺寸24 cm×80 cm×10 cm，飽和Cold Lake活油（GOR為7.2），注入溶劑混合物以C4～C10為主要成分，實(shí)驗(yàn)壓力2.1 MPa，3組實(shí)驗(yàn)分別為只注蒸汽SAGD實(shí)驗(yàn)和注入不同濃度溶劑的ES-SAGD實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，ES-SAGD在累積產(chǎn)油量、產(chǎn)油速率、熱區(qū)的橫向擴(kuò)展等多方面比SAGD效果更好，且實(shí)驗(yàn)中幾乎所有（95%～99%）累積注入的溶劑混合物都被采出。

X. Deng等添加混合溶劑（稀釋劑）開展2D的ES-SAGD試驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了歷史擬合［19］。敏感性分析的結(jié)果表明：溶劑中輕質(zhì)碳?xì)浠衔镆子趥鞑ブ梁惋柡投容^高的汽腔邊緣產(chǎn)生較大降黏效果，而重質(zhì)碳?xì)浠衔锍煞謨A向于在注入井附近凝結(jié)；溶劑在瀝青中的溶解度影響累積產(chǎn)油量、產(chǎn)氣量及溫度場的分布，而溶劑在氣相中的擴(kuò)散系數(shù)則對(duì)累積產(chǎn)油量、產(chǎn)溶劑量影響不大。

Ayodele等開展了SAGD（高壓、低壓）、丙烷SAGD（Propane-SAGD）和多組分溶劑ES-SAGD（高濃度、低濃度）比較實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)了將ES-SAGD技術(shù)應(yīng)用于Athabasca地區(qū)低壓瀝青油藏有效開發(fā)的可行性［20］。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低壓多組分溶劑ES-SAGD在較低濃度下相對(duì)于高壓SAGD有一定的競爭力，能實(shí)現(xiàn)較低能耗開采。John Ivory等也開展了相對(duì)較低壓力下（1.5 MPa）的ES-SAGD實(shí)驗(yàn)研究，與相同壓力下的SAGD實(shí)驗(yàn)相比較，采油速度有15%的提升，同時(shí)汽油比（SOR）下降［21］。

Ayodele等使用己烷作為溶劑開展了2D的ESSAGD高溫高壓比例物理模擬實(shí)驗(yàn)，并與SAGD實(shí)驗(yàn)比較（實(shí)驗(yàn)壓力2.1 MPa）［22］。結(jié)果顯示，正常生產(chǎn)階段大部分的己烷（95%以上）都冷凝并以液態(tài)形式隨油采出。ES-SAGD實(shí)驗(yàn)在生產(chǎn)前期采油速度更高，最終采出程度較SAGD高11%，溶劑所產(chǎn)生的額外隔熱作用也使得ES-SAGD過程蒸汽腔的橫向擴(kuò)展優(yōu)于SAGD過程。使用單位產(chǎn)油能耗（ECR，總能耗除以總產(chǎn)油質(zhì)量）替代SOR用于能耗分析，SAGD實(shí)驗(yàn)ECR值較ES-SAGD實(shí)驗(yàn)值高出約11.5%，ESSAGD工藝顯示了更好的經(jīng)濟(jì)性。

2.4 特殊地質(zhì)條件下的適用性研究

Gates研究了溶劑輔助蒸汽泄油過程的優(yōu)化以及利用該技術(shù)開發(fā)薄層油藏的可能性［23-24］。結(jié)果顯示在8 m厚的油層條件下，加入溶劑開采相對(duì)于普通的SAGD開發(fā)散熱量大幅降低，ECR下降超過一半。該方法十分適合薄層超稠油油藏的開發(fā)。

Weiqiang Li研究了泥質(zhì)夾層存在條件下應(yīng)用ES-SAGD開發(fā)的可行性［25］。研究表明，在有泥巖夾層存在的情況下，氣態(tài)溶劑可穿過泥巖夾層周圍，并通過相變減小泥巖夾層帶來的流動(dòng)阻力，液態(tài)溶劑的加入增強(qiáng)了近井地帶流動(dòng)并降低井筒周圍的殘余油飽和度。多種溶劑的混合注入能實(shí)現(xiàn)多種功能，獲得最佳的開發(fā)效果。

2.5 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

ES-SAGD在國外受到廣泛重視，研究不斷深入，但國內(nèi)的相關(guān)工作開展有限，研究多關(guān)注于蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)過程中加入溶劑改善開采效果。

李牧等［26］選取遼河冷家堡油田原油并復(fù)配混合溶劑開展室內(nèi)研究，驅(qū)油實(shí)驗(yàn)顯示，蒸汽加溶劑段塞注入、蒸汽與溶劑混合注入的方式較單一注蒸汽方式驅(qū)油效率都有較大幅度提升，且加入溶劑后指進(jìn)程度降低，蒸汽波及體積增大，突破時(shí)間加長。

于中紅等［27］以遼河冷加堡油田為對(duì)象開展溶劑輔助吞吐的室內(nèi)研究并介紹現(xiàn)場實(shí)施的情況，開采結(jié)果顯示吞吐過程中加入溶劑和氮?dú)馊〉昧祟A(yù)期的開發(fā)效果。溶劑的加入降低了開發(fā)的注汽壓力，同時(shí)也提高了波及體積。

高永榮等［28］也曾開展過針對(duì)遼河油田超稠油油藏的相關(guān)研究。在室內(nèi)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中，添加少量溶劑可使驅(qū)油效率得到大幅提高；數(shù)值模擬結(jié)果顯示在蒸汽吞吐過程中添加溶劑和氮?dú)饽茉黾油掏轮芷跀?shù)并提高采收率，較常規(guī)吞吐效果顯著提升。

王善堂［29］從溶劑體系提高注蒸汽開發(fā)采收率的機(jī)理方面進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，評(píng)價(jià)了多種溶劑—增效劑體系的降黏效果并利用優(yōu)選的溶劑體系開展驅(qū)油實(shí)驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)，溶劑可改變?yōu)r青質(zhì)的聚集狀態(tài)，從而大幅降低原油黏度；對(duì)于高黏度原油降黏效果極佳，10%濃度的溶劑降黏率可以達(dá)90%。稠油注蒸汽開發(fā)過程中溶劑體系提高采收率的機(jī)理分為兩方面：（1）大幅降黏，改善了原油流動(dòng)性，啟動(dòng)壓力和注氣壓力都降低；（2）降低油水界面張力和流度比、抑制了黏性指進(jìn)并提高了波及體積。

3 現(xiàn)場先導(dǎo)試驗(yàn)

在基礎(chǔ)研究、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬工作開展的同時(shí)，各大石油公司也依據(jù)自身優(yōu)勢，選定合適的區(qū)塊和注入溶劑開展了現(xiàn)場試驗(yàn)。

EnCana公司在2002年使用丁烷（Butane）在Senlac開展了ES-SAGD實(shí)驗(yàn)，2個(gè)月的試驗(yàn)期內(nèi)產(chǎn)油量提升超過50%。EnCana報(bào)告顯示超過70%的注入溶劑都從水平井對(duì)中采出，在于采出氣混合后通入鍋爐燃燒，這可能是項(xiàng)目終結(jié)的原因之一［30］。2004年，又在Christina Lake開展了一次ES-SAGD實(shí)驗(yàn)，隨著溶劑的加入，日產(chǎn)量從167 m3/d增至240 m3/d，汽油比相應(yīng)從5降至1.6，API重度從0.7升至1.1。數(shù)值模擬結(jié)果預(yù)測產(chǎn)量將提高20%～40%，但實(shí)際現(xiàn)場獲得了更高的產(chǎn)量［30］。

Nexen于2006年開始在Long Lake區(qū)域選擇一個(gè)井組開展ES-SAGD現(xiàn)場試驗(yàn)，該井組具有較為穩(wěn)定的操作條件并維持較低的SOR［30］。Jet B（噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)汽油）被選作溶劑用于該實(shí)驗(yàn)，該冬季用航空燃油由較重的原油餾分（C7～C12）組成，在 1.4 MPa的操作壓力下仍可以氣相的狀態(tài)與蒸汽混合在一起。試驗(yàn)中蒸汽腔內(nèi)溶劑摩爾分?jǐn)?shù)維持在5%左右，2個(gè)月的試驗(yàn)期間并未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)油速度的增加。將實(shí)際操作狀況在CMG STARs中進(jìn)行模擬，得到了類似的結(jié)果，分析認(rèn)為Jet B溶劑用于此區(qū)塊ES-SAGD開發(fā)效果欠佳，應(yīng)選用碳數(shù)更低的溶劑開展試驗(yàn)。

Suncor公司在Firebag區(qū)域使用改質(zhì)石腦油（Upgrade naphtha）實(shí)施了ES-SAGD項(xiàng)目，產(chǎn)油速度沒有明顯增加［30］。注入的石腦油平均碳數(shù)為8，相對(duì)分子量較大；油藏條件下大部分注入的溶劑都先于蒸汽凝結(jié)，潛在地減少了向油藏內(nèi)的擴(kuò)散，這被認(rèn)為是產(chǎn)油速度未見增加的主要原因。針對(duì)采出液的取樣分析顯示溶劑回收率在70%左右，但采樣分析數(shù)量有限，此結(jié)果并不是十分精確。

Imperial Oil采用與ES-SAGD類似的LASER工藝（Liquid Addition to Steam Enhanced Recovery）在Cold Lake區(qū)域開展先導(dǎo)試驗(yàn)［31］。已公開的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，產(chǎn)油速度提高約30%，汽油比降低32%。

更多的現(xiàn)場試驗(yàn)還在開展中，結(jié)果有待進(jìn)一步的披露。

4 技術(shù)優(yōu)勢和局限性

4.1 技術(shù)優(yōu)勢

（1）與現(xiàn)有的超稠油開采技術(shù)相比，ES-SAGD技術(shù)具有獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)，但在開發(fā)設(shè)施方面，僅需在傳統(tǒng)蒸汽開發(fā)基礎(chǔ)上于井口處將加熱的溶劑與蒸汽混合注入，然后將采出液中的溶劑分離回收，無需改變注采井的管柱結(jié)構(gòu)和增加過多的額外設(shè)備。

（2）ES-SAGD技術(shù)在室內(nèi)研究和現(xiàn)場試驗(yàn)中均顯示出可提高原油產(chǎn)量并降低汽油比。SAGD開發(fā)過程的水耗、能耗一直是制約其開發(fā)經(jīng)濟(jì)性的重要因素，而ES-SAGD過程SOR較普通SAGD過程降低20%以上，大大降低了開采過程的水處理需求和能耗。室內(nèi)研究表明，溶劑的采出程度高于95%，采出溶劑經(jīng)分離后可再次隨蒸汽注入實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，提高SAGD開發(fā)經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)也減少了溫室氣體排放，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

（3）ES-SAGD技術(shù)非常適合于超稠油油藏開發(fā)，溶劑降黏與熱降黏作用相結(jié)合能更好地降低超稠油黏度，原油降至相同黏度下所需的蒸汽溫度更低，可顯著降低注汽壓力并減少開采過程中的熱損失。另外，采出原油與溶劑混合，在相同溫度條件下使原油黏度大幅度降低，為地面集輸提供了便利。

4.2 局限性

溶劑在不同油藏操作條件下所顯示出不同的相態(tài)特征及其在氣相、液相中溶解度和擴(kuò)散度的差異，這些因素都會(huì)影響ES-SAGD過程的開采效果。為了克服此局限性，需要油藏在開采過程中保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的操作條件，并依據(jù)具體的油藏原油類型和操作條件篩選匹配的溶劑進(jìn)行開采。

5 研究方向

綜上所述，ES-SAGD是一項(xiàng)可行的改進(jìn)技術(shù)，具有開采速度快、蒸汽能耗低、水處理需求少等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，有利于提升油田單井產(chǎn)量和降低溫室氣體排放，是開發(fā)超稠油的環(huán)保技術(shù)。盡管ES-SAGD技術(shù)還存在一定的技術(shù)難題，比如溶劑注入成本高、溶劑與蒸汽混和注入設(shè)備和工藝、溶劑的回收和分離等，但該技術(shù)可能帶來的加快開采速度、降低水處理需求等優(yōu)勢使其具有很大的吸引力。因此，建議在現(xiàn)有基礎(chǔ)上繼續(xù)開展相關(guān)研究工作和技術(shù)儲(chǔ)備：

（1） 針對(duì)特定的油藏地質(zhì)條件、原油特性，開展溶劑篩選工作；

（2）表征溶劑/原油體系相態(tài)特征，測取體系黏度、密度、擴(kuò)散系數(shù)、溶解度等基礎(chǔ)參數(shù)；

（3）開展比例物理模擬實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)所選溶劑應(yīng)用于蒸汽輔助重力泄油過程的開發(fā)效果；

（4）提高數(shù)值模擬工作水平，利用測取的相關(guān)基礎(chǔ)參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)歷史擬合并開展各參數(shù)的敏感性分析，將結(jié)果放大至現(xiàn)場尺度并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。

ES-SAGD技術(shù)具備獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)，相信伴隨上述研究內(nèi)容的開展以及相關(guān)工藝和設(shè)備的進(jìn)步，該項(xiàng)技術(shù)必將獲得新的發(fā)展，在將來成為淺層超稠油油藏開發(fā)的一個(gè)新的解決方案。

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